柴油机排气微粒过滤器微波再生系统的理论分析-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘　要　对研制的柴油机排气微粒过滤器微波再生系统进行了全面的理论分析。具体分析了再生腔内存在的微波模式,平滑过渡器的驻波特性以及再生腔的尺寸、过滤体的长度、微波特性、截止衰减器等对微波反射的影响;为柴油机排气微粒过滤器的结构设计提供了理论依据。①
关键词　柴油机;过滤器;微波;再生
分类号　TK421.5
引　言
微波能应用技术是60年代末期发展起来的一项新技术。微波能应用是利用微波与物质的相互作用,在物质内部产生热量,以实现某种目的。进入80年代以来,将微波作为一种新的能源加以利用已经取得了突破性的发展,并且由此引出许多交叉学科和研究方向。目前,利用微波能对陶瓷过滤体进行再生的研究尚处于起步阶段。作者对柴油机排气微粒微波后处理的理论及实用技术进行了深入的研究,建立了过滤体微波再生系统。本文在微波再生过滤体机理及可行性研究的基础上,从这一技术的实用目的出发,从微波传输的角度对过滤器微波再生系统的主要部分进行了较为全面的理论分析。这一研究对该系统的进一步完善和实用化具有一定的意义。
1　过滤器微波再生系统概述
微波加热的原理是基于微波与物质相互作用而产生的热效应。可以利用微波进行加热的是一些能够吸收微波的吸收性介质。水分子和碳分子是典型的极性分子,能强烈吸收微波,适合于用微波加热。微波加热与其它加热方法相比较,具有十分显著的特点,非常适合于柴油机排气微粒过滤器的再生。
过滤器的微波再生系统的主要组成部分有:微波功率源、平滑过渡器、再生腔、截止衰减器以及控制器等。系统框图如图1所示。

本文采用渐变截面的过渡方法,利用平滑过渡器使矩形波导内传输的微波能通过电磁模式的特定转换有效地传输到圆柱形再生腔中。过渡器的作用一方面是保证排气顺利进入过滤体,更重要的是能够使微波源与再生腔之间具有良好的匹配,以尽量减少微波能量的反射及损耗。再生腔部分兼有过滤腔体和再生腔体两种主要功能。从对微粒过滤和过滤体有效再生考虑,采用圆柱形波导行波加热再生腔。在再生腔内,过滤体吸收微波功率而升温。它的性能好坏,直接影响着整个系统的加热效率、再生效果和实用价值。
再生系统采用圆柱形波导行波加热形式。再生时,微波能量从再生腔一端馈入,逐渐向另一端传输。为了防止微波沿排气管向外泄漏,在再生腔出口端设置一截止衰减器,用以吸收和反射透射功率。实际上截止衰减器是一段几何尺寸不满足微波传输条件的排气管。

尽管再生腔中可能存在着除基模以外的高次模式,但各个模式所传输的微波功率是不相同的。经过分析可知,随过滤器长度的增加,主模的振幅越来越大,高次模式的振幅则越来越小,并且E型高次模式的振幅远小于H型模式的振幅,这是由于激励场的性质更类似于H型模式;高次模式的振幅还与再生腔截面尺寸有关,截面尺寸越小,高次模式的振幅也越小。

2.2　过滤器的理论分析
在结构上,可将平滑过渡器看作渐变阻抗变换器,它将再生腔波导等效阻抗变换为馈电波导的等效阻抗,从而使馈电波导工作于行波状态。利用等效阻抗,把波导等效为传输线,以便用传输线理论,通过阻抗分析而了解过渡器的驻波特性。


从计算结果中可以看出,平滑过渡器输入端反射系数的振幅随着过渡器的长度变化而呈起伏变化,过渡器长度越短,反射系数振幅越大,并且起伏也越明显;电压驻波比的变化规律与反射系数相同。随着过渡器长度的增大,驻波比逐渐下降,并且起伏趋于平稳,这时若再增加长度,驻波比变化将不明显。其原因是由于过渡器等效阻抗随长度变化造成的。过渡器长度越短,阻抗变换比越大。等效阻抗直接决定着反射系数的大小。反射系数的起伏变化是由过渡器上各个微分长度的输入端引起的相位迭加造成的。
在工程上一般要求驻波比小于1.5,由图4可见,当阻抗变换比在一定范围内时,只要过渡器长度适当,一般可保证驻波比的要求。
过渡器长度一定时,阻抗变换比越大,驻波比也越大。因此,应尽量使再生腔尺寸与激励波导尺寸接近,这样可以减小阻抗变换比,从而降低过渡器的能量反射。
从图3和图4中可以看出,反射系数和电压驻波比的极小值均出现在过渡器长度为二分之一波导波长的整数倍处,因此过渡器的长度应按二分之一波导波长的整数倍来选取,这样可以有效地降低反射系数和电压驻波比。
2.3　再生腔的理论分析
在过滤器微波再生系统中,再生腔是微波能量作用于被加热介质的空间。这种再生腔是一种行波式加热器。微波能量从再生腔一端馈入,逐渐向另一端传输,在传输过程中不断地被介质所吸收,转换为介质的温升。为了防止微波能量的泄漏,再生腔后部设有一截止波导。吸收负载及截止波导的存在,对再生腔的特性有较大的影响,因此有必要对再生腔的特性进行分析。


由图7可见,过滤体前端面反射系数是随过滤体的厚度呈起伏衰减变化的;反射系数的极小值出现在过滤体厚度为二分之一波导波长的整数倍处。因此从微波能量有效利用角度考虑,应尽量采用较厚的过滤体,并且过滤体的厚度应按二分之一波导波长的整数倍进行选取。
另外,当厚度一定时,过滤体的损耗系数越大,过滤体前端面的反射系数越小。根据试验数据洁净过滤体和积碳过滤体损耗系数分别为0.01和0.05左右,因此在再生的初期,由于过滤体积碳较多,损耗系数较大,因而反射系数较小;但随着再生过程的进行,积碳量逐渐减少,反射系数将逐渐增大,即过滤体前端面的反射系数是随再生过程的进行而变化的。
从图8中可以看到,反射系数也是随再生腔空气段的长度呈起伏变化的,但幅值是非衰减的。可以通过调节再生腔空气段的长度,使反射系数达到极小。
图9给出了过滤体前端面反射系数与截止衰减器长度的关系曲线。由图可见,当过滤体微波特性参数一定时,衰减器的长度对过滤体前端面反射系数的影响不大。因此,在进行过滤器设计时,截止衰减器的长度可根据实际结构进行选取。
综上分析,影响过滤体前端面反射系数的主要因素是过滤体厚度、再生腔空气段长度以及过滤体的损耗系数;可以通过合理地选择过滤体的厚度和再生腔空气段的长度,使过滤体前端面的反射系数达到最小,以充分利用微波能量进行再生。

3　结　论
(1)模式分析结果表明,尽管再生腔内存在着除基模H○11波以外的高次模式,但对过滤体再生起主要加热作用的仍是基模H○11波。
(2)为了降低过渡器的反射系数和电压驻波比,再生腔尺寸与激励波导尺寸应尽量接近;过渡器的长度应尽量长,并应按二分之一波导波长的整数倍进行选取。
(3)过滤体的厚度、再生腔空气段的长度以及过滤体损耗系数均对过滤体前表面的微波反射系数有较大的影响,可以通过合理地选择过滤体厚度和再生腔空气段长度,使过滤体前端面的反射系数达到最小。

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